柔性可穿戴應變傳感器在人體運動監(jiān)測中的應用研究

劉海英 陳宇

摘要：隨著現(xiàn)在社會的快速發(fā)展，人們也慢慢的步入信息化時代，如當今的大數(shù)據(jù)、云數(shù)據(jù)、萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)、5G通訊等一些高新技術(shù)，這也使得時代信息的應用需求越來越強，在對測量信息的范圍、精度和穩(wěn)定情況各項性能的參數(shù)的期望值和理想化也逐步提升，特別是在一些惡劣環(huán)境中對氣體、壓力、濕度的需求量尤為突出，就我們普通的傳感器已不能滿足這些需求，主要是新材料、新工藝和研發(fā)的時候和一些交叉學科進行整合的時候的就會產(chǎn)生很多層出不窮，伴隨著柔性材料的迅速發(fā)展，因它具有透明、柔韌、延展、可彎曲和折疊、方便攜帶和可穿戴的特性柔性傳感器在醫(yī)療器械和健身運動等領域的潛力都備受人們的關注。

關鍵詞：柔性;應變傳感器;人體運動監(jiān)測

中圖分類號：TS941.15;TQ336.6

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0142-04

現(xiàn)在可穿戴設備在一些臨床上的使用也受到了一些限制，主要是它的準確性、有效性和可靠性受到了一定限制。除此之外，還有就是因為設備體積的剛性和不靈活性導致了使用的舒適性和持續(xù)時間有所限制，還有就是傳感器和數(shù)據(jù)處理以及分析硬件等方面具有高功耗來限定了長期的可操作性，這就迫使研發(fā)人員在精度上進行減少來延續(xù)電池的壽命，最后的限制那便是傳感器的放置位置和運動偽像或生成的數(shù)據(jù)的處理。

1柔性可穿戴傳感器在醫(yī)學上的應用

1.1柔性可穿戴傳感器的材料

普通的傳感器是由剛性不可彎曲的襯底所制作的，主要是以硅襯底的傳感器最為突出。當今的傳感器在我們的實際生活中應用是比較廣泛的，這當然就會有一些缺點，例如像剛度、不敏感和不可彎折等方面，但柔性可穿戴傳感器就需要一些可彎曲的柔性材料，像一些可彎曲的石墨烯、導電紗線或是纖維紡織、有機高分子聚合物都是得到相應的應用。

傳感器材料的選取就直接性的決定了傳感器的應用、可用性和制造成本等因素，主要部門的材料方面是有機電子材料，被大量的應用于制造柔性可穿戴設備，主要是制作的設備具有靈活性、體積可變、好的穩(wěn)定性、適應性強等優(yōu)勢。因此被用于制造薄膜晶體管、離子泵和聚合物電極等，有機和OLAE是用功能性油墨開發(fā)用薄層印刷的電子器件。所用的操作基材主要是PET和PEN，主要是它和其他的有機聚合物具有透明性和低成本的優(yōu)勢，OLAE流程主要是在開發(fā)可穿戴的健康和醫(yī)療設備，PDMS、PEN、PI，P的使用在開發(fā)柔性傳感器對于不同的應用，傳感器的電極部分都是用新型的導電材料，例如碳基納米材料和金屬納米顆粒。應用的導電材料有石墨烯、碳納米管（CNTs）碳纖維州、銀、金和鎳，常用于開發(fā)柔性傳感器的絕緣基板有PDMS、PET、PEN和PI。像這些聚合材料的差異性主要是在楊氏模量和折射率，常用的導電聚合物主要3，4-亞乙二氧基噻吩、聚乙炔、聚苯胺、聚苯乙烯磺酸鹽和絕緣聚合物，它們主要是應用于太陽能的開發(fā)和電池領域。一般在碳納米管CNT中，用的是單壁碳納米管和多壁碳納米管的材料在制造傳感器的方面，制作的工藝也是相當多的，列如像光刻、絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷和激光切割等一系列的辦法，常常我們都是依據(jù)柔性傳感器的尺寸來選擇適當?shù)闹谱鞴に嚒?/p>

1.2感測指標類型

可穿戴的柔性傳感器多數(shù)都是應用于人體生理指標的檢驗，所以被人們廣泛的應用的我們的生活中。它一般都是通過檢驗人的生理指標，像血壓、膽固醇含量、PH值，通過檢測這些我們就可以針對性的人體的健康狀態(tài)提出對應的參考建議。在我們的生活中主要的應用儀器有電化學傳感器、壓力和應變傳感器和磁場傳感器等。電化學傳感也是多年以來最為常見的一種柔性傳感方式，傳感器之所以被人們廣泛的應用在我們的生活中那是因為它具有特有的化學和電子特性，這也使得在不同類型生化傳感中是最好的選擇，我們常見的電化學傳感有監(jiān)測葡萄糖、PH值和膽固醇等等，葡萄糖和PH傳感器主要是由CNT開發(fā)而來的。它運作的原理主要是它的曲率側(cè)壁和疏水性質(zhì)是通過r一鍵合來提供它們之間的強烈相互作用，而有些傳感器則是用逐層結(jié)構(gòu)，使得它們具有更為堅固的結(jié)構(gòu)，為了顯影基材我們一般都是用PDDA和PET，而用一COOH基團官能作為電極的SWCNT來增加電極的氧化性。當使用葡萄糖傳感器的時候，為保持傳感器高的靈敏度則要使傳感器所處的pH值保持在5～9的范圍內(nèi)，像其他的電化學傳感器，列如像膽固醇傳感器。膽固醇是組成動物細胞的細胞膜中所形成的一種脂質(zhì)，制造這些傳感器我們一般都是采用SWCNT和溶膠凝膠結(jié)合的MWCNT。為了便于制作的傳感器結(jié)合的額更為緊湊，我們常用LBL的方式使得傳感器結(jié)構(gòu)化，所以像這種傳感器在絲網(wǎng)印刷、旋涂等方面開發(fā)的更好，在傳感器的表面我們常單獨用像膽固醇氧化酶這樣的生化酶。

除了以上所說的傳感器，像壓力和應變傳感器也是柔性傳感器較為標準的應用，到此為止，已經(jīng)研發(fā)了不同類型的壓阻和壓電傳感器，監(jiān)測的生理參數(shù)一般是通過繃帶、手套等方式進行，像這些傳感器在GF（應變系數(shù)）和所承受的拉伸和壓縮應變的百分比變化而不達到斷裂點，而一些傳感器被制作成電子繃帶，也被應用于觸覺傳感和人工智能。在進行研發(fā)的過程中，研究者在實驗中都是測試一些應變傳感器的導電率的變化，使得應變達到300%和GF是50，制作這些傳感器一般都是TPU（聚氨酯納米復合材料）和納米復合材料納米復合材料，把NFC（原纖化纖維素）當做填料。

磁場傳感器則是用有聚合物箔的無機功能納米膜研發(fā)的一種，它是通過8個傳感器的線性陣列、霍爾效應和高體積的靈敏度，通過這些特性，便研發(fā)了一種可以穿戴的電子鼻，它所形成的傳感器陣列是由CNT和PEN的納米復合材料所制造的，而在聚層的頂部則是用的旋涂和熱固化的PI層制作的水凝膠系統(tǒng)和電生理傳感器。制作電極的則是用Cr和Au金屬并使用電子束進行蒸發(fā)，制作的器件則被應用于ECG，應力一應變測量，除了使用這兩種金屬之外，合金也被用于WFS進行生物傳感器的開發(fā)，列如像使用SbzTes和BiTes薄膜熱電偶來制造低功率、柔性的微熱電發(fā)機。

1.3具體的實現(xiàn)舉例

第一種是可穿戴的口服鈉傳感器，主要是被用于患有高血壓和其他的疾病的病人。當人體攝入過量的食鹽，就會使得人體的血壓增加而導致心臟的并發(fā)癥高發(fā)率，為了時刻監(jiān)測食鹽的攝入量，研發(fā)者便開發(fā)了一種靈活并可伸縮的無線傳感系統(tǒng)，這樣就會在佩戴在口腔中時時刻監(jiān)測人體鈉的消耗量，它實現(xiàn)的原理便是基于超薄透氣彈性膜，來集成小型化的柔性電子系統(tǒng)，并使用相應的藍技術(shù)和智能手機或平板電腦進行連接來測試鈉消耗的無線報告。隨著科研人員不斷將系統(tǒng)進行小型化，使得制造的儀器和牙科保持器類似，從而達到和牙齒相同的大小。在進行口內(nèi)傳感器的研發(fā)的時候，就必須讓網(wǎng)狀電路連接的生物相容性，除此之外，要用一些超薄部件替換傳統(tǒng)的塑料和電子儀器，隨著研發(fā)進度的不斷提升，鈉傳感器也在市場上銷售的很好，但是從使用者的反應中還是有某些缺點要研發(fā)者繼續(xù)改進。所以研發(fā)者便研發(fā)了一種靈活的微膜版本，使得和微型混合電路集成，這樣使得整個傳感器與電子組件均勻的和用戶的柔性材料相結(jié)合，傳感器的佩戴也是較為舒適的，便于將獲取的數(shù)據(jù)輸人智能手機或是平板電腦。在通過網(wǎng)絡運輸?shù)结t(yī)生和醫(yī)療人員的手里進行遠程的監(jiān)控，這樣靈活的設計便于研發(fā)者的建模，以此來優(yōu)化醫(yī)療器械的性能，就可以和彎曲而柔軟的口腔相完美結(jié)合，隨著現(xiàn)在無機材料的快速發(fā)展，科研人員又研發(fā)了一種納米膜電路并選擇組件。

此設備可以對人體的鈉攝入量進行實時的監(jiān)控，同時記錄每日的攝人量，此設備可以和相距10m的通訊設備進行連接。這種設備還可以和多個設備進行操作，對人們的飲食和治療等飲食行為定向的控制，對于鈉傳感器的第一步就是使得設備小型化，在和有醫(yī)療條件的用戶進行實驗，主要是測試的對象有：高血壓、肥胖和糖尿病。為了取消小電池，就得對傳感器每天進行充電，常用的一種傳感充電方式為感應充電，用從嘴向外發(fā)射器來獲得電力的線圈代替復雜電路和電池。

第二種是可穿戴設備測心率，常被用于商業(yè)上的可穿戴的設備，現(xiàn)在被用于在我們生活中的有Fitbit和AppleWatch，獲取它的心率是用體積描記術(shù)的光學模式。使用這種方式使得發(fā)光二極管和皮膚零接觸，通過這樣來照亮動脈上的光，它是通過吸收和散射光后，光電二極管檢測反射光，主要是因為含氧的血紅蛋白具有高的光吸收，因此可以通過心臟收縮來觀測較小的反射光的強度。在實驗時，考慮到測量的反射是能通過環(huán)境光的，就用運動和接觸質(zhì)量來進行

調(diào)制，使用復雜的算法來獲取相應的心率，即使建立了測量重癥監(jiān)護病房和血氧飽和度和急診病房的光學方法。然而他還是會有一定的缺漏，那便是在使用穿戴設備的長時間的心率監(jiān)測，它的準確性和接觸質(zhì)量就是一種高的挑戰(zhàn)，還有就是能量的消耗問題，一般是采用降低探測器系統(tǒng)長時間功耗的常用方法。通過用快速LED和短時間里捕獲數(shù)據(jù)的光電探測器來減少系統(tǒng)的占空比，使得這兩者維持在平衡中，主要是在功耗、精度和運動靈敏度，當今有一種LED和光電探測器HR傳感器使用剛性的連接在一起，也有對靈活的光學HR傳感器進行開發(fā)的，它可以提供更好的皮膚接觸和改進的設計形式。在最近的一道報道中，由有機發(fā)光二極管凹（OLED）和有機光電二極管（OPD）來制作柔性脈沖血氧計貼片，在實驗室中已經(jīng)證明了它是具有測量心率的估計值和市場上售賣的脈搏血氧儀是具有相似的靈敏度。

通過多個小組的幾番嘗試，測量出一種用于心率可穿戴監(jiān)測的心電圖（ECG），在心臟病學上的黃金標準是12導聯(lián)心電圖，一個心電圖導聯(lián)可以提供相應的心率，這樣就可以監(jiān)測一些心臟的突發(fā)狀態(tài)，像心率失常，在使用ECG監(jiān)測的方法是在胸前設置兩個電極，獲得導聯(lián)IECG。般的電池的電極通常都是用Ag/Ag-Cl，為了改善接觸，采用凝膠，這是因為開發(fā)柔性的和千燥電極是有一定意義的，共有兩種方式是將小電容電極和必須的信號處理和通信電路一起載入棉質(zhì)的T恤里，第二種用帶的形式設計電極，附接到前臂來提供一個導聯(lián)的ECG，把兩個電極并人一個柔性帶，在和其余的電路一起監(jiān)測心電圖，如圖1中c、d，但用于可穿戴的UR監(jiān)測的ECG的缺點是這種模式對運動偽影的高度敏感性，對于可穿戴設備是使用干電極的影響。

2柔性應變或壓力傳感器

近幾年里有一種傳感器引起了人們較大的關注度，那便是用于人力資源監(jiān)測模式的柔性傳感器。Soltanian的團隊就研發(fā)了一種柔軟而貼合的應變的傳感器，它是由包裹在彈性體中的導電納纖維網(wǎng)所制造"。而靈活的壓阻式傳感器是用靜電紡絲制造的，它具有快速、精確和可重復的應變傳感行為，應變的系數(shù)可以達到60，并且此傳感器能實現(xiàn)低至yW的低功率傳感器，應變敏感性是通過封裝彈性體的彈性體的彈性作用使得NF間接的可逆脫離或是連接，將應變傳感器放在橈動脈上。這樣就可以精準的顯示脈搏率和清晰的脈搏波形，在通過脈搏波速度（PWV）來測試均勻的血壓估計值，其壓力傳感器在報告心率監(jiān)測的目的，而另一種可生物降解的壓力傳感器是由一層柔性電容器所制造的，疊層是在兩層的柔性基板之間，在PCS（甘油癸二酸酯），上生產(chǎn)出一種微金字塔形狀的結(jié)構(gòu)。通過外部的壓力對壓力進行彈性的變形，把傳感器放在人體不同的位置，像橈動脈，股動脈和頸動脈，它就可以顯示實驗HR和脈搏波形監(jiān)測的行使性。在一種可穿戴柔性傳感器的貼片便是FPS和ECG電極集成在一起，用來測試心率和估計血壓，其中FPS傳感器則是由Au交叉電極和一層碳裝飾織物整合而成的，兩個組件都是采用PEN（聚萘二甲酸乙=二醇酯）進行封裝，裝置的壓阻特性源于值壓制和釋放循環(huán)期間的碳顆粒和電極之間的接觸的變化。

除了以上的傳感器，我們還有一種傳感器那便是用于呼吸速率監(jiān)測的可穿戴傳感器，呼吸頻率是人體重要的生命特征，測試的重要指標那便是呼吸的頻率。

而且呼吸頻率也是心肺疾病的一個重要指征，列如像急性呼吸綜合征（ARDS），慢性阻塞性肺?。–OPD）、肺炎、肺栓塞、肺水腫和其他一些疾病，還可以用于嚴重的臨床狀態(tài)。但是在實際的操作中還必須改進它的測量精度，這就必須研發(fā)出新型的傳感器。呼吸監(jiān)測分為2種，分別是非接觸式和接觸式，非接觸式有紅外熱成像，它是基于雷達和光學的方法不和患者有直接性的接觸。這也是研發(fā)的一個難點;而另外一個方面那便是此接觸方式是通過可穿戴傳感器來提供更為精準的實驗結(jié)果，用于麻醉后的監(jiān)護室（PACU）中的連續(xù)呼吸頻率監(jiān)測。它是將聲傳感器放在氣道上，使得這些傳感器所提供的數(shù)據(jù)便于移動，聲學傳感器最為重要的一個優(yōu)點那便是能夠檢驗到胸壁移動的氣道阻塞。然而他并沒有相應的

氣流流入到肺部。另外的一種傳感器則是使用新材料來制作的應變或者是壓力傳感器，使用石墨烯注入橡膠制作的導電復合材料，使得傳感器的具有高的應變靈敏度，可以達到35，并能在超過800%的應變下進行工作（如圖a、b），將一片密封的橡膠復合材料放置在人體的喉部，精準的報告出呼吸機的呼吸頻率（如圖2c），下圖2中的d、e、f是基于石墨烯織物的應變傳感器用于呼吸速率監(jiān)測。

3結(jié)語

當今用于可穿戴的健康監(jiān)測也是近幾年里興起的一個領域，可提升醫(yī)療的質(zhì)量和可及性。在實驗中為了解決高功耗、低精度、可靠性和重復性等問題也花費大量的精力，研發(fā)更多的新型材料，來適合在不同的環(huán)境中，也隨著現(xiàn)在智能紡織品的快速發(fā)展，改善了傳感器的一致性問題，主要是靈敏度和可持續(xù)性具有好性能的傳感器，還有一個便是存儲的問題，可穿戴的傳感器。

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